Tesis:
Plataforma modular e interfaces genéricas de transductores para redes de sensores inalámbricas.
- Autor: PORTILLA BERRUECO, Jorge
- Título: Plataforma modular e interfaces genéricas de transductores para redes de sensores inalámbricas.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/3086/
- Director/a 1º: RIESGO ALCAIDE, Teresa
- Director/a 2º: CASTRO MARTIN, Angel de
- Resumen: Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de las redes de sensores inalámbricas, campo que ha experimentado un tremendo crecimiento a lo largo de la última década. Una red de sensores inalámbrica (en inglés Wireless Sensor Network, WSN) es un conjunto de nodos distribuidos en un entorno para tomar medidas del mismo, procesar la información derivada de las medidas, comunicarla a la red y, quizás, actuar sobre dicho entorno. Las redes de sensores inalámbricas no son más que la implementación física del concepto de computación ubicua, ya introducido en los años noventa, que hacía referencia a la integración de computadores en la vida del ser humano de forma no intrusiva. Sin embargo, la materialización de dicha idea no ha podido ocurrir hasta hace unos pocos años, cuando la electrónica evolucionó en aspectos como el consumo, protocolos de comunicaciones, integración y miniaturización de sensores y funciones. Las redes de sensores son un subconjunto de las denominadas redes ad-hoc, que tienen como característica fundamental su carencia de infraestructura preestablecida, mientras que dicha infraestructura se requiere para otro tipo de redes, como las Wi-Fi. Su capacidad para ser desplegadas sin esa infraestructura, y más aún, sin cableado, reduce notablemente el coste de la instalación. Pero además, es muy importante destacar que las redes de sensores inalámbricas tienen la capacidad de ser dinámicas, de modo que si se producen cambios en el entorno, en la red, o en los propios nodos, la red es capaz de adaptarse. Esto quiere decir que, por ejemplo, en una red ya desplegada, donde los caminos de rutado de datos han sido creados, si por algún motivo algún nodo falla y desaparece de la red, la misma tiene capacidad de rutar los datos por otro camino, y esto lo hace por sí misma. En esta misma línea, pueden unirse nuevos nodos a la red, cumpliendo ciertos requisitos, de modo que la red podría crecer si fuese necesario. Todo esto es posible dado que los protocolos de comunicaciones presentes en el campo de las redes de sensores permiten que los nodos compartan la información sólo con los vecinos más cercanos, de modo que no tienen por qué tener una comunicación directa con una estación base. Así, los datos viajarán desde un nodo origen hasta otro destino, saltando entre nodos intermedios (lo que se llama red multi-hop). Todo lo expuesto conduce directamente al tipo de aplicaciones en las que las redes de sensores suelen ser utilizadas, como es la monitorización de parámetros físicos en entornos, con un ciclo de trabajo pequeño. Esto implica que los nodos estarían dormidos la mayor parte del tiempo, despertándose únicamente para tomar una o varias medidas, enviar la información a la red y volver a dormir. Esto ha sido durante los últimos años el paradigma de las redes de sensores inalámbricas. Derivado de lo anteriormente expuesto, durante los últimos años, distintos grupos de investigación y empresas han apostado por diversas soluciones en el hardware de los nodos, desde el punto de vista que ellos han considerado el apropiado, así como protocolos de comunicaciones, algoritmos a implementar, etc. Pero también debe ser mencionado que, durante esos mismos años, el paradigma ha ido modificándose, ya que se plantean nuevos retos en las redes de sensores que imponen nuevos requisitos, y si bien las soluciones existentes hasta la fecha cubrían en gran medida la demanda, en la actualidad esta disciplina se está reciclando continuamente. Teniendo en cuenta las características especiales de las redes de sensores, quizá la tendencia natural sea pensar que lo mejor es optimizar el hardware para cada aplicación. De este modo, cuando esté clara la implementación que se realizará para un despliegue determinado, se puede optar por integrar funcionalidades en un chip para abaratar costes y minimizar el consumo. Sin embargo, aunque esa opción sería adecuada para una solución concreta, la propia naturaleza cambiante y las variaciones en los requisitos de las aplicaciones pueden hacer que no sea así. De hecho, una de las características esenciales de las redes de sensores es su carácter multiaplicación, por lo que el hardware de las mismas se piensa de forma que siga esa filosofía, es decir, que sea flexible. Esta tesis doctoral se centra en el hardware para redes de sensores inalámbricas. En este contexto, en esta tesis doctoral se propone una arquitectura para nodos en redes de sensores inalámbricas. La cualidad esencial de dicha arquitectura es la modularidad, de modo que la funcionalidad del nodo está dividida en capas, cada una de las cuales desempeña una tarea específica. Al estar encapsulada la funcionalidad, se pueden modificar capas por separado, sin que ello afecte al resto del sistema, lo cual puede acelerar los rediseños que haya que hacer cuando se encaran nuevas aplicaciones. Esto dota a los nodos de gran flexibilidad. La arquitectura de la plataforma modular está compuesta fundamentalmente de cuatro capas que son: • Sensado/Actuación: incluye los sensores y/o actuadores que interactúan con el entorno, así como los circuitos de acondicionamiento de señal si fuesen necesarios. • Procesamiento: es el corazón del nodo, incorpora los elementos que controlan el nodo. Las tareas fundamentales llevadas a cabo en esta capa son el procesado de las señales de los sensores, la gestión de las comunicaciones, y la programación de los modos de consumo de la plataforma. • Comunicaciones: Esta capa se encarga de enviar y recibir información hacia y desde la red de sensores. Es inalámbrica, y tienen como características principales un bajo consumo, baja tasa de datos y posibilidad de crear redes de tipo ad-hoc, con distintas topologías. • Alimentación: En esta capa se generan las alimentaciones necesarias para el resto de capas de la plataforma modular. En dicha plataforma modular se ha incorporado un elemento de procesamiento hardware puro, una FPGA, con el objetivo de dotar de más flexibilidad a la arquitectura, así como de más capacidad de procesamiento. El hecho de que cualquier señal necesaria pueda ser colocada en cualquier pin de la FPGA es clave en el prototipado. Más aún, se ha investigado en las posibilidades que añade dicho elemento al conjunto del nodo y se ha estudiado la reconfigurabilidad parcial y dinámica de dicho dispositivo en el marco de las redes de sensores inalámbricas, tema muy innovador en la actualidad. Por otra parte, no sólo se afronta el tema de la arquitectura del nodo, sino que también se investiga en la manera en que los sensores se comunican dicho nodo. Los fabricantes tratan de imponer sus propios modos de proporcionar la información de los sensores de modo que en la actualidad hay multitud de interfaces para comunicarse con sensores o actuadores (llamados transductores, en conjunto). En esta tesis se ha trabajado intensivamente en esta línea. Se ha creado una interfaz común para transductores, y una biblioteca de interfaces que sigue esta filosofía. La biblioteca ha sido pensada para ser incluida en un elemento de hardware, como un ASIC o una FPGA. Las interfaces con interfaz común están pensadas para comunicarse con un dispositivo de procesamiento digital. En esta tesis este elemento viene representado por un microcontrolador. De este modo, el hardware donde se integran las interfaces actúa como coprocesador del procesador principal. Paralelamente a lo anteriormente expuesto, las interfaces en hardware creadas sirven como elementos reconfigurables en la FPGA de la plataforma modular. La interfaz común está pensada para que los transductores sean activados mediante triggers, que para los sensores implica una lectura, y para los actuadores una escritura. A su vez, cada transductor es visto como un canal desde el punto de vista del elemento que lee o escribe. De este modo, dispositivos con cierta complejidad que incluyan más de un sensor o actuador, o ambos, son vistos como distintos canales, para conservar los aspectos generales de las interfaces. Las interfaces creadas para la biblioteca en la presente tesis doctoral son: • PWM • Periodo/Frecuencia • I2C • Interfaz modificada de I2C • 1-Wire • Interfaz para el control de transductores analógicos (ADC y DAC) Además de esta solución basada en hardware, no se ha querido dejar de lado la implementación software, ya que la mayoría de las soluciones existentes en la actualidad optan por dicha solución. Así, dentro del trabajo de tesis, se ha portado el sistema operativo TinyOS al microcontrolador de la plataforma modular (un microcontrolador con núcleo 8051). La implementación (el porting) no existía previamente, y ha servido para establecer un marco de comparación entre la solución hardware y la software, considerando que TinyOS es un estándar de facto para las redes de sensores inalámbricas, por lo que una aplicación desarrollada para este sistema y otra mapeada en hardware pueden ser comparadas con criterio. En esta tesis se ha presentado la arquitectura de una plataforma para nodos en redes de sensores inalámbricas, que posee las características de ser modular y reconfigurable. Usando dicha plataforma como base, se han ido creando diversos prototipos para validar dicha modularidad y comprobar hasta qué punto es adecuado o no el enfoque. Se ha expuesto el estado de la técnica de los grupos más relevantes en el campo de las plataformas, y se han establecido las principales diferencias entre las soluciones descritas y el enfoque planteado en esta tesis. Enumerando las principales aportaciones de esta tesis doctoral: i) Arquitectura de una plataforma modular en cuatro capas fundamentales para nodos en redes de sensores inalámbricas, con distintos modelos para cada capa y con la incorporación de un dispositivo reconfigurable en HW. ii) Estudio del impacto de dicho HW reconfigurable, y aplicación de técnicas de reconfiguración parcial a nodos en WSNs. iii) Creación de una interfaz común para transductores en redes de sensores. Creación de una biblioteca de interfaces, para los protocolos más comunes en sensores, como PWM o I2C, con la interfaz común creada. Integración en la plataforma y pruebas de reconfiguración parcial. iv) Implementación del sistema operativo TinyOS en el microcontrolador de la capa de procesamiento. Desarrollo de las interfaces previamente creadas en HW, en SW. Comparativa de la solución basada en HW con dicha solución SW basada en TinyOS. El documento de la tesis está organizado en cinco capítulos. En el capítulo 1 se hace una breve introducción al campo de las redes de sensores inalámbricas, comentando las distintas disciplinas incluidas en dicho campo, para centrarse en el hardware. En el capítulo 2 se presenta una arquitectura modular de 4 capas para nodos de redes de sensores inalámbricas, se describen los distintos prototipos creados para dicha arquitectura, que demuestran la modularidad, y se analiza la reconfigurabilidad de la plataforma desde un punto de vista hardware haciendo uso de la FPGA incluida en la misma. En el capítulo 3 se presenta la biblioteca de interfaces genéricas para redes de sensores creada en el marco de esta tesis, así como la interfaz común que presentan todas ellas. La biblioteca ha sido pensada para ser parte de un hardware, por lo que se hace una comparativa con una solución software, basada en el sistema TinyOS, que es un estándar de facto en la actualidad. Por último, en el capítulo 5, se exponen las conclusiones de la presente tesis doctoral, se muestran las líneas futuras y los resultados derivados del trabajo realizado.